截至2026年，深圳地铁线网密度稳居全国内地城市首位。十几条线路交织穿行，让这座城市的地下交通变得极为便捷。但你可能没想过：这些隧道，究竟是怎么挖出来的？要经历多复杂的过程，才能做到又快、又稳、又安全？
地下的渣土有着大学问。
深圳大学未来地下城市研究院副院长、我院王树英教授花了12年时间和渣土打交道。他和团队围绕核心瓶颈，开展盾构渣土力学特性与高质掘进技术研究，相关成果获得2024年度广东省科学技术奖科技进步奖一等奖，并在滇中引水、深圳地铁11号线、广州地铁7号线、昆明地铁4号线、南宁地铁5号线等100余个重大盾构隧道工程中成功应用。
2024年度广东省科学技术奖科技进步奖一等奖项目信息
“大国重器”的消化难题
城市地下空间开发，盾构机是当之无愧的“大国重器”。其中土压式平衡盾构操作简单、建设成本低、无泥浆污染，成为城轨隧道工程的最主要工法，支撑起现代城市的交通骨架。
当前，国际上有关盾构掘进的技术瓶颈在于地层动态多变，难以实现盾构土仓内渣土性状精准（靶向）调控，以及土压平衡盾构掘进尚未形成闭环的动态管控系统。
试着把盾构机想象成一条巨大的“地下巨龙”，它一头钻进地里，“啃食”出一条直径堪比两层楼高的隧道。在这过程中，由于地下土质复杂多样，“巨龙”在接触不同土质时也会出现不同的反应。
“巨龙”穿越富水砂层时会遇到松散的砂土，它把砂土和地下水一起“吞”进“肚子”（土仓）里，由于砂土止水性差，无法和水融合，在将砂石排出“体外”的过程中就容易因水的高压导致砂土从螺旋输送机中喷涌而出，造成“体内外”压力失衡，引发前方地面坍塌；到达泥质粉砂岩时，黏稠的黏土则容易黏在它的“牙齿”（刀盘）上，结成厚厚的泥饼，让它“罢工”；还有的是砂土、黏土、岩石交叠的复合地层，更是让掘进难上加难。
简而言之，土仓内堆积形成的压力，能抵消地应力和地下水压，一旦压力失衡，不仅会让盾构机停工，还可能引发地面隆起或沉降，直接威胁施工人员安全。王树英教授团队的研究核心，正是通过在盾构机挖掘出的土体中，注入泡沫、膨润土等改良剂，精准调控渣土的力学特性，让原本“不听话”的渣土，变成守护压力平衡的“安全屏障”。
这背后，不是简单的土壤改良，而是融合力学、机械工程、材料化学于一体的交叉创新，是从根源上破解复杂地层盾构掘进难题的科技攻关，为我国盾构施工技术稳居国际领先地位作出了不可或缺的贡献，也为盾构制造领先世界提供了施工工艺保障。
“填补了国际空白”
在这项持续12年的研究期间，王树英团队始终以“揭榜领题”的模式与全国各地的隧道工程建设单位保持紧密合作，助力相关企业攻克技术难题。
滇中引水龙泉倒虹吸工程是我国当时埋深最大水压最高的软弱地层土压平衡盾构隧道工程。由于渣土止水性差，穿越富水砂土地层过程中频繁出现渣土喷涌和土舱失压问题，进而引发地层超挖。同时，螺旋输送机出渣口的渣土喷涌严重影响了盾尾管片的拼装，导致盾构多次停机，不得不清除盾尾洞内的泥渣。基于王树英关于渣土的研究成果，工程团队充分认识到高水压对渣土渗透性的影响，优选了渣土改良剂，并借助开发的盾构掘进智能管控平台，智能优化了渣土改良参数和掘进参数，最终成功解决了渣土喷涌与土舱保压难题。
广州地铁12号线某区间盾构在富水复合地层中始发后，需立即近距离穿越建筑群。然而，工程团队掘进仅5环便出现严重的泥饼结附现象，掘进速度降至5mm/min以下，最终被迫开舱清除刀盘上的泥饼。采用本项目成果，工程团队将盾构切换为土压平衡模式掘进，并通过渣土调控技术有效预防了泥饼和喷涌现象的发生，掘进速度提升至20mm/min以上，为盾构成功穿越建筑群提供了有力支撑。
基于在该领域的长期深耕与系统积累，王树英在中国知网及Scopus数据库中关于“渣土改良”的发文量均位居国内外首位，并连续入选2024、2025年度全国高被引学者Top 1%。其核心成果集结为专著《盾构渣土力学及工程应用》，朱合华院士评价该专著为“国际上该领域首部专著”，何川院士指出其“填补了国际空白”。
实验室里的“掌勺人”
王树英将这个复杂的研究比作“炒菜”，他自己是“掌勺人”，而各种渣土改良剂，就是他手中的“调料”。“就像厨师炒菜，同样的食材，不同的配比和做法，味道天差地别。”王树英说，市面上的改良剂并不少见，但如何根据不同土质，搭配出最合适的“调料”配比，让砂土不喷涌、黏土不结饼、压力稳得住，才是最核心的难题。
“炒菜”的过程，远比我们想象的艰难，处处体现团队对土体力学行为的深度认知与调控。研究流程主要分为地层特性与渣土机理分析、改良材料选型与微观机理研究、室内宏观物理力学试验优化配比和现场应用验证四个环节。
对土力学机理的认知与分析是全部工作的基石。不同的地层，砂土和黏土的力学响应截然相反——砂土渗透性强，容易发生喷涌；黏土粘性大，易结饼堵塞刀盘。团队需要从微观层面分析渣土的颗粒级配、矿物成分和孔隙结构，明确导致工程问题的根源是渗透性过高、抗剪强度不足，还是流动特性不佳。
基于机理认知，需要有针对性地选择改良材料。改良的核心在于平衡。团队通过渗透试验、坍落度试验和旋转剪切试验等宏观力学手段，系统评估不同配比下渣土的止水性、流动性和抗剪强度，目标是找到一组参数，使渣土既能顺利流动排出，又不至于过度流失或堵塞刀盘。每一次失败都不是简单的重来，而是对土力学机理认知的深化——为何这一配比失效？是泡沫未能有效封堵孔隙，还是膨润土与水发生了非预期的反应？
博士生曾辉在团队中负责高含水率粗颗粒地层的改良研究，他深有体会：“泡沫注入率哪怕只差0.1%，整个体系的渗透和流动特性都可能天差地别。”他印象最深的，是渗透实验。“每次做渗透实验，我们都需要连轴转，甚至三班倒。”改良剂加入渗透仪后，要静置三四天，才能观察渣土的渗透反应。
团队做室内宏观物理力学试验优化配比卡壳的时候，王树英不会直接给答案，他会带着学生把失败的试验现象重新梳理一遍，从数据里找线索，从现象里挖原因。就这样，团队一点一滴地调试，找到一个既能让渣土不粘刀盘、又不喷涌的最佳配比。
“光是一项技术的优化配比，针对不同粒径的砂土，就得做不下几十次坍落度试验。”曾辉说，有时为了得到一组理想的数据，需要连续三四个月重复相同的步骤。正是这种从机理出发、反复验证的科学方法，让团队能够不断逼近那个理想的技术方案。王树英总结：“我们不是在做简单的配比调试，而是在理解土的本质。只有把机理吃透了，‘掌勺’才能心中有数，而不是凭感觉乱加调料。”
对于反反复复的繁琐实验，曾辉早已习惯：“失败了，再做一次就是了，熟能生巧。”
当土木遇上算法
一线工地现场的情况远比实验室里复杂得多。地层复杂多变，需要建立监测和感知平台，预判预警前方的地层和压力，再决定如何调控土体。
目前国内在盾构渣土计量方面，主要还是以渣车称重、人工统计和经验换算等传统方法为主。这样做不仅慢，而且不连续、不精确，就像用老式水表记录每天用水量，却看不到哪一秒在漏水。
博士生陈晗正在做一个“跨界”项目：给盾构机装上“眼睛”和“大脑”。他在盾构机的出渣口上方，安装了一组特殊的设备——高速工业相机、激光扫描仪和温湿度传感器。这些设备配合人工智能算法，让机器自己读出渣土的类型、含水量和流动状态，同时用扫描仪实时勾勒渣土轮廓，形成一个连续、可追溯的排渣体积监测结果。这样一来，工程师就能在地面上盯着屏幕，看到每一秒钟渣土的变化，一旦出现异常，系统会自动预警，帮助操作员提前调整掘进参数，避免事故发生。
2026年元旦，深圳地铁17号线隧道现场急需获取渣土参数，王树英带着学生直奔工地，为盾构机安装渣土扫描仪。盾构机内部空间狭窄、管线密布，他们只能蜷缩着身体，打着手电筒，在皮带输送机上方一点点固定扫描仪。他们必须争分夺秒，一旦耽误时间，整个工程都可能受影响。
王树英经常提醒陈晗：“别光盯着算法跑的准不准，要想想你的模型能不能真正帮现场解决问题。”每次陈晗写完一版程序，王树英都会带着他从工程角度审视：“这个结果有意义吗？现场师傅用得上吗？”然后和他一起把研究从“实验室能跑通”，一步步打磨到“工地上真管用”。
一抔土里的传承
在王树英的课题组内，有成熟的“传帮带”机制，对于经验不足的硕士研究生新生，师兄师姐们会先带他们进入实验室，手把手教他们认识什么是膨润土、发泡剂怎么配比，熟悉“手感”。之后，王树英会安排一个高年级硕士或博士研究生“一带一”，从最基础的文献检索、试验数据处理软件教起。
王树英对待学术研究态度严谨，对学生要求严格。在学生眼中，他就像是一根“定海神针”。曾辉说：“王教授虽然严格，但绝不鼓励无意义的内卷。他会细致地修改我们的论文，连标点符号都不放过。”王树英常说：“博士毕业最核心的要求，是拥有独立开展研究的能力。”他不替学生做决定，但总能在学生走偏的时候，一针见血地指出问题所在。
对于科研人员而言，“战场”从来不止存在于实验室。王树英常常带着学生奔赴一线。从珠三角到西南山地，再到天山脚下，目前团队深入研究和做技术服务的盾构区间已有100余条。
第一次前往盾构挖掘现场的情景，至今仍历历在目，陈晗说：“当时我深受震撼，那真是人类工业文明的结晶。”那一刻他意识到，自己每天面对的代码和算法，正是这台庞然大物能够精准运转的一部分。
谈及未来，王树英团队将继续深化“高校理论创新—企业实践验证—标准规范推广”的产学研协同。他们正着手研究基于多源数据融合的超前预判算法，让盾构机在掘进之前就能“感知”前方的土质变化，提前调整参数，进一步提高掘进效率和安全水平。
从引进消化到自主创新
从跟跑到领跑
中国盾构已经走出国门
参与到全球地铁、水利
铁路工程建设中
十多年深耕
一抔土里见功夫
他们在地下六十米处守护的
不只是隧道的安全与效率
更是一个工程大国
走向世界的底气
一审 | 卢秋月
二审 | 王树英
三审 | 左英姿
